Planificación Minera Subterránea diseño de caserones

7/21/2019 Planificación Minera Subterránea diseño de caserones

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Apunte planificación minera subterránea 2 15

Por David Meneses

Diseño de unidades de explotación subterránea

Para mantener la seguridad dentro de las unidades de explotación subterránea o caserones,

las dimensiones para el diseño de estos debe hacerse de acuerdo a las condiciones geotécnicas

donde estará emplazada la futura explotación siempre teniendo en cuenta la recuperación,

dilución y posteriormente los costos que ocasionará tal diseño.

Si bien existen muchas maneras de caracterizar la estabilidad de un macizo rocoso para su

posterior diseño una de las formas más aceptadas de diseñar las unidades de explotación

subterráneas comúnmente denominadas caserones es la metodología de Matthews la cual

relaciona la estabilidad del macizo rocoso y la geometría del caserón expuesto.

Debido a que la determinación de las calidad de un macizo y de las condiciones a las cual está

sometidas son determinadas por datos producto de un estudio más acabado, este curso se

limita a un diseño conceptual de un caserón o unidad de explotación subterránea.

Metodología de Matthews

El numero de estabilidad se define como

Donde :

Q=índice de calidad de túnel de Barton

A=Ajuste por esfuerzo inducido

B=Ajuste por estructuras interceptando la pared a estudiar

C=Ajuste por orientación de la excavación

Luego de determinado este indicador, la metodología propone un gráfico que relaciona la

estabilidad con las dimensiones de un cara a través del radio hidráulico.




Radio hidráulico se define como:

Cabe mencionar que existe un radio hidráulico distinto para cajas y coronas. Para este curso se

ocupará el mismo radio hidráulico tanto para corona como cajas teniendo en cuenta el lector

que en la realidad este varia.

Ejemplo:

Se ha determinado un indicador de estabilidad N=44

Por la metodología grafica se puede determinar el radio hidraulico , resultanto un radio

hudraulico que se situa entre 10 a 15, siendo el punto medio entre ambos extremos 12,5

Figura 1: Gráfico de Matthews




Si quisiéramos diseñar una unidad de explotación idealizada, esta se asemejaría a un

paralelepípedo en la cual sus caras son rectángulos con lados A y B, es posible una vez

determinado el radio hidráulico y un lado de la cara del paralelepípedo A, determinar el otro

lado B para el cual esa cara es estable.

En efecto se puede deducir una relación analítica:

De la relación anterior se observa que en el denominador si A < 2 , entonces B será

negativo, lo cual no tiene sentido. Sin embargo el radio hidráulico para efectos de diseño

puede ser reducido y aun así la pared debiera ser estable.

Ejemplo:

Sea =12 y A= 20 mts.

Si se determina el lado según la relación expuesta anteriormente B= -120 lo cual no tiene

sentido

Sin embargo Si entonces A=180 mts. La cuales son las dimensiones máximas para las

cuales esa pared es estable




Diseño de la sección transversal de un caserón

Si bien el termino caserón está asociado con los métodos denominados “open stope” o decaserón auto soportados como lo es sub-level stoping, long blast hole o VCR, existen muchas

variantes que pueden incluir relleno como el método bench and fill, en la cual la característica

que comparten todos estos métodos es la secuencia de la tronadura o avance. La sección del

caserón que es perpendicular a la dirección de avance de la tronadura es considerada

transversal.

Una importante característica a considerar antes de diseñar una sección transversal es la

morfología o configuración del cuerpo mineralizado o envolvente económica.

En el caso de yacimientos vetiformes sub-verticales el ancho de la sección está definido por la

potencia de la veta por lo que se necesita saber solo altura para la cual el caserón será estable.

Figura 2: Sección transversal en una veta sub-vertical




El caso contrario son los yacimientos sub-horizontales, como por ejemplo los yacimientos

mantiformes o lenticulares , la potencia del yacimiento determina la altura de la sección por lo

que se necesita saber el ancho para el cual la sección es estable.

En la figura siguiente en achurado se aprecia la dilución de techo y piso producto del diseño, es

posible modificar la altura o trasladar el caseron de tal forma de aumentar la recuperación del

método.

Figura 3: Sección transversal en un cuerpo sub-horizontal




Ejemplo :Diseñe la sección transversal de un caserón idealizado usando un radio hidráulico =

12 en todas sus paredes.

Este ejemplo será desarrollado en Vulcan. En la pantalla del envisage se tienen diferentes

herramientas y paneles que nos ayudaran a diseñar las unidades de explotación. En la

siguiente figura se muestran algunas de estas herramientas

Figura 4: Envisage de Vulcan




Una de las herramientas más importantes a dominar son las herramientas de visualización ya

que con ellas se puede apreciar de la mejor forma posible la ubicación espacial del diseño.

Parte importante de visualizar un diseño, es tener la correcta perspectiva de los objetos que

tenemos en la pantalla del envisage, esto lo podemos lograr con la herramienta look for point

ubicada al costado derecho de la pantalla como se aprecia en la

figura siguiente

Si mantenemos clickeado con el botón

izquierdo se desplegaran una serie de botones

los cuales son vistas o perspectivas, como se

muestran en la siguiente imagen:

Figura 5: Look From Point

Figura 6: Perspectivas o vistas




Otra forma muy útil de visualizar o apreciar un cuerpo mineralizado o envolvente económica

para poder diseñar es utilizando planos de corte del

sólido o vista de sección, esto se puede hacer en Vulcan

presionando la herramienta create section view, situada

en la parte superior de la pantalla como se muestra en lasiguiente figura:

Si presionamos créate section view aparecerá el siguiente cuadro de dialogo:

Opción

permite definir

un plano

vertical a

través de dos

Inclinación del

plano definido

por dos puntos

Definir un plano

horizontal a

través de un

nivel (eje Z)

determinado

Figura 7: Create Section View

Figura 8: Configuración Create Section view




Si seleccionamos generar un plano de sección a través de dos puntos y presionamos ok, en la

pantalla se nos pedirá los dos puntos que definirán el plano de sección como se muestra en la

figura.

Figura 9: Plano de sección en vista planta




Una vez hemos realizado la operación nos aparece la sección o plano de corte del sólido, en

este caso el cuerpo mineralizado. A través del botón toggle sliced view podemos salir de la

sección o viceversa.

Figura 10: Toggle Sliced View, botón para ver sección y deshabilitarlas

Si clickeamos toggle sliced view con el botón derecho del mouse nos aparecerá un

cuadro llamado slice, este cuadro sirve para modificar el plano de corte o sección como se

muestra en la siguiente figura

Distanciaentre un

plano de

corte y otro

Distancia de

visualización

desde el plano de

corte o sección

hacia atrás

Distancia de

visualización

desde el plano

de corte o

sección hacia

adelante

Saltar a un plano

de corte o

sección paralelo

adelante o atrás

Figura 11: Configuración de las propiedades de la sección




Otra herramienta muy

importante para poder dimensionar y

ubicar un cuerpo mineralizado en el

espacio es la grilla. Esta puede ser

visualizada o abierta clickeando toggle

grid display como aparece en la

siguiente figura

Clickeando con botón secundario o derecho a toggle grid display aparecerá una

cuadro grid properties o propiedades de la grilla como se muestra en la imagen siguiente:

Dimensiones de

la grilla según el

eje

Plano en el cual

trabaja la grilla

Figura 12: Toggle Grid DIsplay, botón para visualizar grilla

Figura 13: Configuración de las dimensiones del grillado según eje

Figura 14: Cambio de plano de visualización de la grilla




Ya pudiendo ver el cuerpo mineralizado desde diferentes perspectivas, eligiendo una de estas

y realizando un corte o sección apoyados por el grillado estamos en condiciones de poder

diseñar la primera sección transversal.

Para ello debemos crear una layer si es que no hemos hecho una anteriormente , como se

observa en la imagen siguiente.

Figura 15: Creación de layer




Como se ha mencionado antes, para cuerpos mineralizados sub-horizontales debemos

considerar la potencia como la altura del caserón idealizado. Como se ve en la siguiente figura,

la altura usada va desde la cota 59 hasta la cota 76, es decir 17 metros.

Figura 16: Sección transversal considerando la altura del caserón

Para dimensionar el ancho del caserón debemos recurrir a la fórmula del radio hidráulico para

secciones rectangulares. Debido a que tenemos una altura y el radio hidráulico reemplazamos

los valores en la formula:

Debido a que el valor de ancho es negativo necesitamos cambiar el radio hidráulico, este

nuevo valor debe ser menor para que se conserve la estabilidad, en nuestro caso y para

efectos de diseño se utilizara el valor de 8, por lo que recalculando el ancho para el cual la

sección es estable es:




Si bien el ancho de nuestra sección puede llegar a ser de 272 metros, el ancho del cuerpo

mineralizado no supera los 35 mts. por lo que este último será el ancho a utilizar para sección,

lo cual se muestra en la siguiente imagen:

Figura 17: Sección transversal diseñada y estable

El problema de un caserón idealizado es que no se adapta a la forma del cuerpo por lo que no

se extraen ciertas zonas y otras zonas tienen alta dilución, generalmente en los techo para

cuerpo sub-horizontales. Esto se aprecia en la siguiente imagen en achurado para zona con

dilución en rojo y celeste mineral sin recuperar.

Figura 18: Falta de recuperación y dilución se una sección transversal rectangular




Para solucionar este problema y de manera pedagógica y conceptual, ocuparemos la

herramienta move con la cual trasladaremos la sección un poco más abajo para que se

recupere mas mineral del piso de caserón como se parecía en la siguiente figura.

Figura 19: Herramienta Move

Manteniendo clickeada se puede desplegar otro tipo de herramientas para mover objetos

Figura 20: Opciones adicionales de Move

También es importante seleccionar en el panel inferior snap to points , esta herramientas sirve

para restringir la opción de objetos a solo los puntos de estos. En nuestro caso para trasladar

la sección nos tomaremos como punto de referencia un vértice de la sección por lo que si no

seleccionamos snap to points no podremos seleccionar exactamente el vértice.

Figura 21: Snap to points




La herramienta move nos pedirá como habíamos mencionado anteriormente un punto de

referencia el cual se pondrá dentro de un vértice de la sección y también nos pedirá un punto a

cual trasladar el punto, en nuestro caso particular trasladaremos la sección dos metros más

abajo, como se muestra en la en la figura.

Figura 22: Traslado de sección transversal

Es probable que cuando quiera presionar el segundo punto de

traslado no se pueda realizar, esto es debido a que tiene activada la

opción snap to points con la cual solo puede clickear punto en la

pantalla. Para poder clickear en cualquier punto de la pantalla debe

seleccionar indicate.

Luego se abrirá el cuadro translation option en cual se

ofrecen diversas opciones de translación, como lo que se

requiere es solo trasladar el objeto seleccionaremos

translate original

Figura 23:Indicate

Figura 24: Opciones de traslado




Terminado el traslado de la sección la siguiente imagen en rojo muestra la sección trasladada y

en verde la sección en su posición original.

Figura 25: Traslado vertical de sección transversal, en verde antigua posición y en rojo sección trasladada

Ahora que tenemos diseñada la primera sección debemos dimensionar la secciones

longitudinales, la cuales son las cajas y el techo.




Dimensionamiento de cajas

Las cajas son las paredes laterales del paralelepípedo, como sección longitudinal comparten la

altura con la sección transversal, es decir la cajas tienen una altura de 17 metros.

Tomando en consideración un radio hidráulico igual que para la sección transversal, es decir la

cajas poseen un radio hidráulico de 12, en base a esto y usando el mismo método para

dimensionar los lados una sección rectangular se llegará a que el largo en este caso podrá ser

de hasta 272 mts, sin embargo desde la perspectiva de perfil el cuerpo mineralizado se puede

aprecia que el largo desde la sección transversal hasta donde se termina el cuerpo es de

aproximadamente 50 metros.

Sin embargo todavía no diseñaremos con esa dimensión puesto que las cajas comparten el

largo con la coronas y determinaremos el largo considerando ambas caras.

Figura 26: Vista del perfil, en rojo sección transversal




La corona o hangwall comparte el ancho de 35 metros con la sección transversal, si bien en la

realidad generalmente le radio hidráulico es distinto para las coronas, de forma pedagógica se

mantendrá el mismo valor. Determinando de la misma manera el largo de la corona con un

ancho de 35 y un radio hidráulico de 12 se tiene:

Ahora si bien el largo máximo que puede tener la corono es de 76,4 mts, una

vista de planta demuestra que el cuerpo de aproximadamente 50 mts. de largo se vaacortando en su ultimo 40 mts. Por lo que diseñar el caserón con 50 mts. implicaría mucha

dilución, dejando el largo para efectos de diseño en 40 mts.

Figura 27: Vista de planta cuerpo mineralizado, en rojo sección transversal




Finalmente las dimensiones para un caserón idealizado son:

Alto=17 mts.

Ancho=35 mts.

Largo= 40 mts.

Si bien tenemos las dimensiones de nuestro caserón necesitamos dibujar en la pantalla

otra sección transversal paralela y en un plano separado 40 metros desde la primera sección

ya diseñada, esta distancia tiene que coincidir con el largo del caserón pues en realidad estas

dos secciones transversales son las dos caras del caserón con la cuales triangularemos un

sólido.

Para realizar esta labor nos apoyaremos de la misma herramienta slice , en la cual

cambiaremos a un plano paralelo al plano actual. Como la distancia entre el plano en el cualfue dibujada la primera sección y el plano donde vamos a dibujar la otra sección es el largo del

caserón (40mts), cambiaremos el campo step de 5 a 40 como se muestra en la siguiente figura.

Después presionamos slice forward para saltar a ese plano.

Figura 28: Cambio de plano de sección

Es probable que una vez cambiemos de plano no veamos nuestro de diseño de la primera

sección, el cual necesitaremos para diseñar la segunda sección transversal.

Para poder visualizarla tenemos que cambiar el campo back de 5 mts. a más de 40 mts., como

por ejemplo 45 mts. como se verá en la siguiente figura:

Figura 29: Sección transversal visualizada desde otro plano de sección




Si bien vemos la sección que diseñamos antes nos encontramos en otro plano por lo

que todo los que diseñemos se limitara solo a este, es en este momento que procedemos

dibuja a través de la herramienta rectangle tratando de calcar lo más exacto posible la

primera sección visualizada. En verde se apreciará la segunda sección dibujada.

Figura 30: Secciones transversales vista de frente




Una mejor apreciación de lo que hemos creado se puede hacer quitando el plano de

corte y poniendo en perspectiva el sólido, resultando algo como lo que se visualiza en la figura:

Figura 31: Dos secciones transversales rectangulares de un caserón idealizado

Ahora que tenemos las dos secciones paralelas diseñadas poder triangular un sólido, el cual

será de mucha utilidad para más adelante pues tendrá volumen y tonelaje.

Para eso iremos a model -> triangle solid -> créate

Figura 32: Crear triangulación




Presionando este menú no aparecerá un cuadro como el que se muestra en la figura donde

debemos clickear construct first end plate y construct last end plate para que el sólido una

vez se cree pueda estar cerrado.

Figura 33:Ajustes para la creación de triangulación




Presionamos ok y debemos seleccionar las dos secciones transversales, si lo hicimos bien se

nos preguntara de qué color queremos que sea la triangulación y luego se nos preguntara si

queremos seleccionar otra sección o dibujo, lo cual por el momento no necesitamos por lo que

clickeando el segundo botón del mouse en cualquier parte dos veces nos aparecerá el

siguiente cuadro:

Figura 34: Confirmar la creación de sólido




Y presionamos save edit , luego de esto nos aparecerá un cuadro como el que se muestra en

pantalla

Figura 35: Guardar sólido

Ubicación

donde se

almacenará el

archivo de la

trian ulación

Nombre de la

triangulación

Color de la

triangulación




Presionando ok , se guardara el archivo de la triangulación y podremos visualizarla

normalmente en la pantalla y en el explorador de vulcan (vulcan explorer ) como se muestra en

la pantalla

Figura 36: Caserón idealizado y cuerpo mineralizado

Finalmente con esto hemos realizado nuestro primer caserón de forma idealizada.




Debido a que para las operaciones subterráneas es muy importante la seguridad, el control de

las paredes es un tema tangencial para la planificación en muchos aspectos como por ejemplo

dilución no planificada, costos y tiempo de fortificación, o el relleno para caserones inestables.

Es la razón de registrar los parámetros de diseño adecuadamente. Para caserones idealizados

se ocupara la siguiente forma de registrar al menos tres de sus lados ortogonales junto con sus

sus radios hidráulicos de diseño.

En primer lugar coloque nombre, número o letras a cada vértice del paralelepípedo, esto se

hace con desing-> create-> create text como se aprecia en la siguiente figura:

Figura 37: Crear texto

Presionando la herramienta nos pedirá seleccionar el punto donde se colocará la letra, por lo

que tenemos que apretar snap to point nuevamente para que efectivamente el texto este

ubicado en el vértice y no en otra parte.




Luego si no tenemos un layer asignada para el texto, se nos permitirá crear una antes de

introducir el texto.

Cuando hemos creado la layer, nos aparecerá un recuadro donde debemos colocar el texto, eneste caso a cada vértice lo representaremos con una letra.

Figura 38: Cuadro de generación del texto

Debemos repetir esta operación para cada vértice con las letras del alfabeto que usted quiera.

Ahora que cada vértice tiene asignada una letra podemos nombrar a cada arista o lado por las

letras de sus vértices extremos. Ej: el lado que se encuentra entre los vértices A y B, se llamara

AB.




La siguiente figura muestra los nombre de los vértices para el caserón idealizado creado.

Figura 39: Caserón idealizado y sus vértices




De acuerdo a la notación y a las dimensiones del caserón explicadas anteriormente, la tabla

siguiente puede resumir el proceso de diseño de un caserón idealizado

Tabla 1: Paredes de caserón idealizado con sus correspondientes parámetros de diseño

radio hidráulico Lado 1 Lado 2

nombre Medida

Matthews Diseño Nombre medida Estabilidad

diseño

Sección

transversal

12.000 8.000 DA 17.000 BA 272.000 35.000

caja 12.000 8.000 DA 17.000 AC 272.000 40.000

techo 12.000 12.000 FD 35.000 DE 76.364 40.000

Una de las desventajas de nuestro método de diseño con vulcan es que hemos diseñado las

secciones de forma manual sin el apoyo de una herramienta precisa para dimensionar las

medidas. Una forma de cerciorarse de que efectivamente las medidas de cada arista miden lo

que diseñamos o al menos está cerca.

Para ello utilizaremos la herramienta distance between points que se ubica dentro del panel de

herramientas de medición como se muestra en la figura:

Con ella y siempre teniendo presionado snap to point

Radio

hidráulico

obtenido

mediante

grafico

Radio

hidráulico

modificado

para evitar

dimensiones

negativas

Longitud de

máxima

estabilidad

para una

pared

Longitud

ocupada

para el

diseño del

caserón

Figura 40: Distance between points

Figura 41: Snap to points




Medimos cada arista que hemos introducido en el cuadro anterior. Para el caso del ejemplo

que hemos estado desarrollando se midieron todas las aristas mencionadas en el cuadro

anterior y el cambio es el siguiente:

Tabla 2: Paredes de caserón idealizado con sus parámetros de diseño modificados

radio hidráulico Lado 1 Lado 2

nombre

Medida

Matthews Diseño Nombre medida Estabilidad diseño

Sección

transversal

12.000 8.000 DA 17.030 BA 264.544 35.115

caja 12.000 8.000 DA 17.030 AC 264.544 40.105

techo 12.000 12.000 FD 35.115 DE 75.822 40.105

Esto refleja lo inexacto del procedimiento que se realiza aunque sin embargo la diferencia no

es considerable, aunque esto es relativo al tipo de mineralización que estemos trabajando.




Diseño de caserón no idealizados

En la práctica es dificultoso poder aplicar un caserón paralelepípedo a una explotación minera,

especialmente porque no se adapta a la forma del cuerpo mineralizado ocasionando dilución o

poca recuperación.

Si bien el diseño de un caserón requiere de experiencia previa y conocimientos más acabados

del yacimiento (mineralización, estabilidad, prácticas operacionales, etc) una forma básica de

realizarlo es la siguiente.

Tomando como base el ejemplo anterior tenemos una sección transversal cualquiera como semuestra en la figura siguiente.

Figura 42: Sección transversal de un caserón idealizado

Crearemos una nueva layer y luego usaremos la herramienta polygon

Figura 43: Polygon




Con esta herramienta y usando como guía la sección rectangular especialmente en el piso y en

el techo seguir la línea del cuerpo mineralizado como se visualiza a continuación:

Figura 44: Sección transversal de un caserón no idealizado, en azul




Esta misma acción se puede realizar en cualquier otro plano en el cual se intercepte el caserón

idealizado (sección rectangular) con el cuerpo mineralizado como se muestra a continuación

Figura 45: Sección de un caserón idealizado y cuerpo mineralizado

Usando el mismo criterio anterior, respetando el piso del caserón idealizado y tomando el

techo con la forma del cuerpo mineralizado se tiene en azul en la figura siguiente:




Figura 46: Sección de un caserón idealizado y cuerpo mineralizado. En azul sección transversal de un caserón

De esta forma podríamos hacer las secciones transversales que estimemos

convenientes para luego triangularlas por el mismo método que usamos con el caserón

idealizado.




En la siguiente imagen se muestra una serie de secciones transversales en azul y el

cuerpo mineralizado

Figura 47: Múltiples secciones transversales de un caserón




Luego al triangular usando las secciones en azul esta el nuevo caserón, en rojo el caserón

idealizado y en amarillo el cuerpo mineralizado. Como se aprecia, logra reducir en diseño la

dilución producto producto del techo

Figura 48: Cuerpo mineralizado, caserón idealizado y caseron adaptado al techo del cuerpo mineralizado

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